符合綠色化管理理念的環境化學實驗設計

岳俊杰+尹靜+畢成良+劉娟

摘 要：以企事業單位綠色化管理理念為指導，設計了綠色環境化學實驗用來從根本上解決化學實驗室的環境污染問題。通過以學生為主體的綠色環境化學實驗的實施，訓練了學生實驗操作技能，更培養了其環境保護和節能減排意識，為社會各類企事業單位輸送具有綠色管理理念的大學畢業生，這將有助于綠色化管理模式的推廣，同時使環境科學專業畢業生在嚴峻的就業形勢下具有一定的就業優勢。

關鍵詞：綠色化管理；環境化學實驗；設計；環境保護；節能減排

一、綠色化管理引入背景

當今社會，綠色、循環、低碳是目前經濟發展亟待推進的發展模式，而綠色化管理模式對于樹立企事業單位保護環境、節約并合理利用資源的意識也是非常必要的。所謂綠色化管理，是對組織決策和活動與組織對自然環境的影響之間存在緊密聯系的意識。它要求企事業單位在管理中方方面面、時時處處都要考慮環保、體現綠色。

高等學?；瘜W實驗室是大學生驗證科學理論、訓練實驗技能、培養學生分析和解決問題能力的重要實訓基地，是教師進行產學研的重要場所。隨著高?；瘜W實驗室建設規模的擴大，化學專業各分支學科的實驗內容、數量、種類及開設時長都有了不同程度增加，全面提高了教學質量和學生綜合素質。而與此同時，化學實驗室所產生“三廢”的污染問題也呈現愈演愈烈的態勢，這種污染雖然具有隱性、間斷性的特點，但污染物的種類遠遠超過一般工廠，甚至為了得到明顯的實驗現象和驗證經典的實驗方法，期間還會涉及一些劇毒化學品的使用，因此化學實驗室對環境的污染問題不容忽視。

為根本解決化學實驗室的環境污染問題，實驗室的綠色化管理勢在必行。其中，綠色化學實驗內容的設計本著從源頭上減少和消除對環境污染，充分利用資源和能源，采用無毒、無害原料，并在無毒無害條件下，減少廢物排放等原則，是實驗室綠色化管理的一條有效途徑。與企業生產產品相類似，大學生可被看作高等學校向社會各個行業輸送的“產品”。在綠色化專業實驗訓練中已經充分樹立了環境保護和節約合理利用資源意識的大學畢業生，在被輸入到各個行業的企事業單位后，將有助于綠色化管理模式在單位內部的推廣和應用，對提高單位綠色管理水平和整體形象的提升也是有利的促進。為此，綠色環境化學實驗內容的設計是一個不可忽視的環節。

基于硫酸根自由基（SO4-·）的過硫酸鹽活化技術是一種新型高級氧化技術，其在環境污染治理中的應用是剛剛發展起來的嶄新研究方向。本文擬將該技術用于水中三氯乙烯的氧化降解，以綠色化學理念設計“亞鐵離子活化過硫酸鈉降解水中三氯乙烯”的實驗內容，引入到環境化學實驗教學中。

二、實驗過程

1.實驗試劑

過硫酸鈉（化學純）；硫酸亞鐵（0.1mol/L）；三氯乙烯（99.9%）；無水乙醇（分析純）。

2.實驗儀器

島津GC-Plus氣相色譜儀；分析天平（上海分析儀器廠）；氣浴恒溫振蕩器（THZ-82B，金壇市國旺實驗儀器廠）；棕色血清瓶（100mL）；燒杯（200mL、250mL）；微量進樣針（10μL，1000μL，澳大利亞SGE公司）；氣密性進樣針（100μL，澳大利亞SGE公司）；移液槍（Dragon）；移液槍頭（1000μL）；移液管（5mL，50mL）；棕色溶劑瓶（10mL）。

3.實驗原理

過硫酸鹽在水中電離產生過硫酸根離子S2O82-，其相對于標準氫電極的標準氧化還原電位E0=+2.01V，但過硫酸鹽比較穩定，在常溫下往往反應速率比較慢，對有機污染物的降解效果并不明顯。而在光、熱、過渡金屬離子（如Fe2+）等條件下，S2O82-被活化分解為氧化性更強的硫酸根自由基（SO4-·），其標準氧化還原電位E0=+2.5～+3.1V，接近甚至高出氧化性極強的羥基自由基（·OH，E0=+1.8～+2.7V）。

過渡金屬離子Fe2+活化過硫酸鹽的過程可表示為反應方程式（1）。

Fe2++S2O82-→Fe3++SO4-·+SO42- （1）

在這個活化反應過程中，所需活化能為50.2kJ/mol。

通過序批地向過硫酸鈉降解三氯乙烯（TCE）的反應體系中加入Fe2+可以使體系中不斷產生強氧化性的SO4-·，進而TCE得以高效降解。

4.實驗步驟

（1）三氯乙烯標準溶液的配制

用移液槍移取1mL三氯乙烯溶于4mL無水乙醇中備用。向6個100mL的棕色血清瓶中分別加入50mL蒸餾水，再以微量進樣針量取相應劑量（如表1）三氯乙烯的乙醇溶液分別配制成濃度為0、2、4、8、16、20mg/L的三氯乙烯水溶液，密封瓶口，置于氣浴恒溫振蕩器中振蕩備用。

表1 三氯乙烯標準溶液配制表

（2）三氯乙烯檢測方法

本實驗中三氯乙烯的檢測方法采用頂空進樣，經Rtx-1型通用毛細管柱分離，氫火焰離子化檢測器（FID）檢測，以保留時間定性，峰面積定量。具體色譜條件為：

SPL溫度：200℃；檢測器溫度：220℃；分流比：39；柱流量：0.57mL/min；

進樣量：100μL頂空氣體；

程序升溫：60℃（3min）-50℃/min-100℃（3min）-80℃/min-2

20℃（2min）。

（3）三氯乙烯標準曲線的繪制

將TCE標準溶液于室溫下震蕩20分鐘后取出，用氣密性進樣針抽取100μL溶液上方氣體（頂空氣體），快速注入氣相色譜進樣口中，并啟動檢測方法。所得三氯乙烯保留時間約為5.189min（保留時間隨進樣的操作速度等手法不同而稍有變化），手動積分得到相應峰面積，記錄于表2中。以峰面積作為縱軸，標準溶液濃度作為橫軸繪制三氯乙烯的峰面積-濃度標準曲線。

表2 三氯乙烯標準曲線數據記錄表

注意進樣完畢之后，要對樣品瓶口進行蠟封處理，以免體系漏氣；同時將樣品瓶放回恒溫震蕩器備用。

（4）過硫酸鈉用量對三氯乙烯降解效果的影響

①稱取質量分別為0.0119g、0.0179g和0.0357g過硫酸鈉粉末，于50mL小燒杯內用5mL蒸餾水溶解后分別轉移至3個100mL的棕色血清瓶中，保持瓶內溶液量為50mL，將血清瓶做好1、2、3號標記，另備一個棕色血清瓶只加入等量蒸餾水作為空白對照；

②以微量進樣針分別量取3.4μL三氯乙烯的乙醇溶液，注入上述4個血清瓶后加蓋密封，搖勻；

③分別以微量進樣針量取375μL濃度為0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液，依次每間隔10分鐘注入1、2、3號反應瓶內，立即蠟封瓶蓋并搖勻反應瓶，置入氣浴恒溫震蕩器中振蕩，在40分鐘內每間隔10分鐘取反應瓶頂空氣體檢測TCE含量，將峰面積值及其對應的TCE降解率記錄在表3中，以降解率為縱軸，反應時間為橫軸繪制曲線。

表3 過硫酸鈉用量對20mg/L三氯乙烯降解效果影響

（5）硫酸亞鐵用量對三氯乙烯降解效果的影響

①稱取4份質量為0.0357g的過硫酸鈉粉末，操作同2.4.4中相應步驟；

②以微量進樣針分別量取3.4μL三氯乙烯的乙醇溶液，注入上述4個血清瓶后加蓋密封，搖勻；

③分別以微量進樣針量取75μL、150μL和375μL濃度為0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液，依次每間隔10分鐘注入1、2、3號反應瓶內，立即蠟封瓶蓋并搖勻反應瓶，置入氣浴恒溫震蕩器中振蕩，并每間隔5min、分4次分別向上述3個反應瓶中注入與第一次加入量相同的硫酸亞鐵溶液，在40分鐘內每間隔10分鐘取反應瓶頂空氣體檢測TCE含量，將峰面積值及其對應的TCE降解率記錄在表4中，以降解率為縱軸，反應時間為橫軸繪制曲線。

表4 硫酸亞鐵用量對20mg/L三氯乙烯降解效果影響

（6）實驗“三廢”的處理

在完成上述各實驗步驟后，引導學生分析本實驗所產生廢液、廢渣、廢氣的化學成分，教育和啟發學生對其進行必要的處理?？煽紤]給學生3-5天時間查閱相關資料，最終給出本實驗“三廢”處理的可行方法。

三、綠色化學設計理念體現分析

在上述“亞鐵離子活化過硫酸鈉降解水中三氯乙烯”的實驗內容設計過程中，不同程度體現了綠色化學設計理念，主要表現在：

1.實驗內容的選題是一種新型高級氧化技術，充分體現了本學科的研究熱點，相對于Fenton氧化技術所需強酸性等特點而言，該技術具有環境友好性特點。

2.實驗所涉及化學試劑中，過硫酸鈉常溫下穩定，分解產物除環境友好性的鐵離子外，硫酸根離子是環境水體中的主要陰離子成分。三氯乙烯屬于氯代烴類，與乙醇同屬于有機溶劑，雖然有一定危害性，但在整個實驗中用量很少，作為實驗廢液的有機成分，以熱活化或亞鐵離子活化過硫酸鈉的方法能在不引入有害廢物的情況下達到很好的去除效果。

3.對于三氯乙烯檢測方法的選擇，實驗采用改良的頂空進樣、毛細管柱氣相色譜法。該方法由實驗教學組老師在科研項目中建立并經反復實驗證實是一種操作簡便、快速、峰形好、干擾少且準確度較高的方法。

值得提出的是，本檢測方法的操作步驟中避免了傳統方法中以正己烷作為萃取劑、硫酸鈉作為干燥劑的做法，同時，快速、簡單的操作使得氣相色譜使用過程中的能耗也相應減少，這些都是綠色化學原則的很好體現。

4.在影響因素研究步驟中，考慮到總學時限制，每組學生可任選其中一個影響因素進行實驗研究，將實驗學時控制在8學時之內。每種因素研究的實驗步驟中僅涉及4個棕色血清瓶，并且所需的各種溶劑、試劑大多在半微量范圍內，這種減量化的設計也是綠色化學理念的充分體現。

5.對于實驗過程所產生的“三廢”問題，本實驗模式也是明顯低于傳統實驗。采用的三氯乙烯和乙醇都是在血清瓶的密閉環境中，加入試劑均采用注射形式，較好的防止了實驗廢氣逸出；作為廢液的主要成分則主要考慮三氯乙烯和鐵離子，其中鐵離子對環境沒有威脅；隨著三氯乙烯降解影響因素的實驗進行，瓶內殘余三氯乙烯已達到微量級，為了確保對環境零負擔，可采用加入適量過硫酸鈉粉末并適當加熱的方法，以熱活化過硫酸鈉更為徹底降解水中殘留的三氯乙烯；而廢渣則只涉及鐵的沉淀物，集中回收后轉化為離子還可以考慮循環利用。這些作為環境專業實驗教學所特有的附加環節—“三廢處理”更是對綠色化學設計理念的集中體現。

三、結語

通過以上綠色化學理念貫穿始終的實驗教學內容，學生對環境化學實驗產生了濃厚的興趣，更新了對化學實驗的舊有看法。實驗過程綠色化，對學生環境保護和節能減排意識的形成是一種潛移默化的促進；新型、前沿的高級氧化技術，先進儀器的使用以及科學性實驗方案的實施，拓寬了學生的視野，為學生科研思路的形成打下了良好的基礎。最重要的是，經過這類綠色化專業實訓的大學畢業生將提早具備綠色化管理理念，對于企事業單位綠色化管理模式的推廣是一個有力促進，也因此在目前嚴峻的就業形勢下顯現出一定的就業優勢。

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作者簡介：岳俊杰（1977- ），女，天津市人，博士，副教授